ELÄMÄN SYNNYN ONGELMA

Matti Leisola, professori, Helsinki

 

Johdanto

 

Ihminen on koko tunnetun historiansa ajan pohtinut elämän alkuperää. Jo hyvin varhaisissa historiallisissa dokumenteissa toistuu ajatus, että elämä on syntynyt elottomasta aineesta. Aristoteles kannatti tällaista ajatusta ja 1600-luvun alussa. Jan van Helmont laati jopa kokeellisen ohjeen miten hiiriä synnytetään kosteaa viljaa ja likaisia riepuja sisältävissä ruukuissa. Asian ympärillä käytiin kovia kiistoja 1700- ja 1800-luvuilla. Ranskan tiedeakatemia lupasi palkinnon sille, joka pystyisi luotettavien kokeiden avulla ratkaisemaan asian. Louis Pasteur sai palkinnon osoitettuaan nerokkailla kokeilla, että elävät olennot (tässä tapauksessa mikro-organismit) eivät synny itsestään. Sama pätee edelleen. Elämä syntyy havaintojemme mukaan aina vain elämästä.

 

Ajatusta elämän spontaanista synnystä ei kuitenkaan unohdettu. 1900-luvulla asiaa on lähestytty sekä kokeellisen että teoreettisen tieteen näkökulmasta. Avaruuslentojen eräs motivaatio on ollut selvittää löytyykö elämää muualta aurinkokunnasta. Tulos on ollut negatiivinen. Tieteellinen elämän syntyä koskeva pohdinta alkoi varsinaisesti venäläisen A.I. Oparinin vuonna 1924 julkaisemasta kirjoituksesta. J.B.S. Haldane esitti vuonna 1929 samanlaisia pohdintoja. Ensimmäiset simulaatiokokeet julkaisi Miller vuonna 1953. Kuva hänen käyttämästään laitteistosta esiintyy jokaisessa elämän syntyä käsittelevässä oppikirjassa. Epäsuorasti on suuren yleisön tietoisuuteen iskostettu ajatus, että ongelma on jo ratkaistu.

 

Alkuilmakehä

 

Elämän syntyä simuloivissa kokeissa on käytetty pelkistäviä olosuhteita, koska hapettavissa olosuhteissa ei voi muodostua aminohappojen kaltaisia pelkistyneitä yhdisteitä. Monet tutkijat ovat nykyisin sitä mieltä, että maapallon ilmakehä on aina sisältänyt happea. Alkuilmakehälle on laadittu hyvin monenlaisia malleja tai reunaehtoja riippuen tutkijan enemmän ja vähemmän subjektiivisista näkemyksistä. Kulloisenkin näkemyksen tueksi esitettyjä astronomian ja geologian tuloksia ei voida siten pitää ratkaisevina todisteina. Lähtökohtatilanne ensimmäisille soluille tärkeiden rakenneosien synteesille on täysin avoin.

 

Aminohapot ja proteiinit

 

Miller sai simulaatiokokeissaan syntymään joitakin elävissä olennoissa esiintyviä aminohappoja. Samalla syntyi kuitenkin lukuisia muitakin yhdisteitä, joista monet ovat eliöille myrkyllisiä. Samanlaisia kokeita on toistettu eri laboratorioissa hyvin samanlaisin tuloksin. Yhteenvetona niistä voi todeta:

 

- Elävissä olennoissa esiintyy 20 aminohappoa, Miller-kokeissa paljon enemmän.

- Miller-kokeissa ei muodostu emäksisiä proteiinien aminohappoja.

- Kokeesta riippuen syntyy vain vähän ja enintään 13 proteiinien aminohappoa

- Miller-kokeissa muodostuneiden yhdisteiden koostumus poikkeaa merkittävästi elävän solun yhdisteiden koostumuksesta. Ketjun muodostukselle haitallisia monofunktionaalisia yhdisteitä on Miller-kokeissa selvä ylimäärä.

 

Sidney Fox tutki puhtaitten (ei siis Miller-kokeiden synnyttämien epämääräisten seosten) aminohappojen ketjuuntumista kuivissa olosuhteissa ja 70 C - 200 C lämmössä. Hän sai aikaan protonoideiksi kutsumiaan polymeerejä. Niillä ei kuitenkaan ole mitään tekemistä varsinaisten proteiinien kanssa, koska ne ovat kolmidimensionaalisia verkottuneita polymeerejä.

 

Nukleiinihapot

 

Sen jälkeen kun Cech ja Altman (Nobel-palkinto, 1989) 80-luvun alussa havaitsivat RNA-molekyyleissä entsymaattista aktiivisuutta, on nukleiinihapoille annettu suuri merkitys elämän syntyä koskevissa tutkimuksissa. Lukion Biologia esimerkiksi toteaa: “ensimmäiset informaatiota sisältävät molekyylit olivat todennäköisesti RNA:ta”. Nukleiinihapot (RNA ja DNA) rakentuvat kemiallisesti kolmesta osasta: riboosi tai deoksiriboosi, fosforihappo ja typpiemäs.

 

Toistaiseksi ei tunneta tapaa, jolla riboosi-sokeri voisi syntyä alkuliemen olosuhteissa. Se on myös hyvin reaktiivinen sokeri, joka tuhoutuu nopeasti. Typpiemäksiä on saatu syntymään synteettisesti korkeissa syaanivety- tai ureapitoisuuksissa. Synteesit ovat kuitenkin vaikeita, saannot pieniä ja muodostuneiden yhdisteiden stabiilisuus huono.

 

RNA- ja DNA-molekyylien syntyyn tarvittavien välttämättömien nukleotidien muodostuminen alkuliemiolosuhteissa on toistaiseksi epäonnistunut. Kokeissa, joissa tutkitaan nukleotidien yhteenliittymisen uskottavuutta (ketjuuntumista) nukleiinihapoiksi (RNA- ja DNA-molekyyleiksi), täytyy käyttää kontrolloiduissa laboratorio-olosuhteissa syntetisoituja rakenneosia esibioottisissa olosuhteissa syntyneiden sijaan. Uskottavia malleja RNA- ja DNA-molekyylien synnylle ei ole toistaiseksi olemassa.

 

Kiraalisuus

 

Monet elävissä olennoissa esiintyvät molekyylit voivat esiintyä kahdessa energeettisesti samanarvoisessa muodossa. Ne muistuttavat toisiaan peilikuvina kuin oikea ja vasen käsi. Molekyylien “kätisyys” kuuluu termin kiraalisuus alle. Elävissä olennoissa esiintyy tavallisesti vain toinen näistä muodoista (esim. D- mutta ei L-riboosi RNA:ssa, L-aminohapot proteiineissa). Puhtaista enantiomeereista rakentuneet proteiinit ja nukleiinihapot ovat perusedellytys niiden toiminnalle. Kemiallisissa reaktioissa syntyy aina yhtä paljon kumpaakin kiraalista muotoa. Ei tunneta uskottavaa tapaa, jolla vain biologinen muoto olisi valikoitunut.

 

RNA-maailma

 

Ribotsyymissä (entsyymiaktiivisuutta omaava RNA-molekyyli) yhdistyvät samassa molekyylissä kaksi ominaisuutta: entsymaattinen aktiivisuus ja geneettisen informaation tallennus. Tämä tieto oli lähtökohta uuden elämänsyntymallin muotoilulle, niin sanotulle RNA-maailmalle. Monille tutkijoille tämä käsite edustaa merkittävää virstanpylvästä tiellä esibioottisesta kemiasta kohti elävää solua. Tässä vaiheessa oletetaan syntyneen ilman proteiineja toimivia replikaatioon kykeneviä systeemejä. Niiden pohjalta saattoivat sitten kehittyä proteiineja sisältävät ensimmäiset solut. Nukleiinihappojen ja tässä tapauksessa RNA:n esibioottista syntymistä ei ole kuitenkaan selvitetty. RNA-maailmalla ei siten ole toistaiseksi mitään todellista perustaa. Siksi Shapiro (1996) toteaakin: “Havainnot, jotka meillä on tällä hetkellä käytettävissämme, eivät tue ajatusta, että RNA tai vastaava replikaatiosysteemi, joka käyttäisi RNA-emäksiä, olisi ollut osallisena elämän syntyyn. Tämä johtopäätös voidaan kumota, jos kehitetään sopiva esibioottinen simulaatiosysteemi. Kaikkien emästen täytyisi syntyä korkealla saannolla samoissa, joissa on uskottava yhdistelmä vettä, ilmakehän kaasuja ja mineraaleja. Niin kauan kuin tällaista mallia ei ole olemassa, pitäisi sellaisiin elämänsyntyteorioihin, jotka eivät tarvitse RNA-emäksiä, kiinnittää enemmän huomiota.”

 

Informaatio

 

Kaikissa elävissä organismeissa solun toiminnan ja lisääntymisen pääperiaatteet ovat samanlaisia. Esimerkiksi geneettinen koodi, proteiinisynteesi, energiarikkaat yhdisteet ja aineenvaihdunnan pääperiaatteet ovat samanlaiset. Oleellisin elämän tuntomerkki on geneettinen informaatio, joka on tallennettu neljän kemiallisen merkin (typpiemäs) kolmikirjaimisina yhdistelminä. DNA:n kemiallinen synteesi ei selitä sen sisältämän koodin ja kielen alkuperää. Mistä koodi on tullut? Miten se on voinut muuttua (se poikkeaa joiltakin osin esimerkiksi mitokondrioiden DNA:ssa)? Professori S. Osawa päätyy kirjassaan (Evolution of the Genetic Code, 1995) siihen, että voimme lähinnä vain tehdä havaintoja ja spekuloida geneettisen kielen syntymistä. Hän jopa ehdottaa, että “Jumala käyttää universaalia geneettistä koodia”. Tämän elämälle kaikkein tärkeimmän tuntomerkin alkuperästä meillä ei ole mitään luonnontieteellistä tietoa.

 

Teoreettiset mallit

 

Sekä Eigen että Prigogine saivat aikanaan Nobel-palkinnon kaukana tasapainotilasta olevien fysikaalisten systeemien tutkimuksista. Kummankin ajatuksia on sovellettu elämän synnyn teoreettiseen pohdintaan. Santa Fen (Kaufman) koulukunta on tuonut kompleksisuuden mukaan keskusteluun. Näissä tapauksissa on kyse teoreettisista malleista, joiden avulla pyritään selittämään niin sanottua aineen itsestään järjestymistä. Eigen puhuu hypersyklistä, jonka kautta ensimmäiset solut syntyivät. Kaikki yritykset jäljittää asiaa kokeellisesti ovat epäonnistuneet. Ranskan tiedeakatemian edesmennyt jäsen, professori Marcel Schützenberger piti (1997) kaikkia näitä yrityksiä ja malleja hyvin vaatimattomina ja ei-funktionaalisina verrattuna elävään maailmaan. Hänen mukaansa mikään algoritmi ei kuvaa elävien organismien kompleksisuutta.

 

Panspermia

 

Ruotsalaisen Arrheniuksen 1800-luvulla käyttöön ottama ja edustama ajatus panspermiasta lähtee siitä, että elämän siemenet ovat syntyneet jossain maailmankaikkeuden osassa ja että ne tartuttivat maan elämällä. Tämä ajatus siirtää elämän synnyn ongelman maapallolta maailmankaikkeuteen, antamatta mitään rakentavia ratkaisuja edellä pohdittuihin ongelmiin. Ajatuksen tunnettu edustaja on Nobel-palkinnon saanut Francis Crick, joka kemiallisen evoluution ylipääsemättömien vaikeuksien vuoksi etsii pakotietä tästä ratkaisuvaihtoehdosta. Elämän siementen henkiinjäämismahdollisuuksia avaruudessa on tutkittu bakteerien avulla. Dosen ja Kleinen (1996) tulokset osoittavat, että energiarikas säteily vahingoittaa soluja merkittävästi. Siten niiden viipymiselle avaruudessa ja samalla myös mahdollisille etäisyyksille on olemassa tiukat rajat.

 

Ensimmäiset solut

 

Elävä solu on paljon muutakin kuin nukleiinihappoja ja proteiineja. Tarvitaan esimerkiksi monimutkainen solumembraani, joka nykyisin syntyy aina olemassaolevasta membraanista. Se erottaa solun sisällä tapahtuvat reaktiot ympäristöstä. Monimutkaisten replikaatiokykyisten reaktiosysteemien “kuorruttaminen” ja erottaminen ympäristöstä merkitsee samalla niiden loppua, ellei heti alusta asti ole olemassa erityistä kuljetusmekanismia membraanin läpi. Nykyisen ymmärryksen mukaan täytyisi membraanin syntymiseen liittyä ajallisesti hyvin läheisesti myös ensimmäisen kuljetussysteemin synty. Tällainen kytkentä tekee solun esibioottisen synnyn vaikeasti kuviteltavaksi.

 

Vuonna 1995 julkaisi von Venterin johtama suuri tutkimusryhmä Mycoplasma genitaliumin koko genomin täydellisen DNA-sekvenssin. Tämä organismi on bakteeri, joka elää parasiittina. Mycoplasma genitaliumia pidetään pienimmän genomin omaavana organismina, joka kykenee itsenäisesti lisääntymään. Se sisältää 470 geeniä. Tämän pienempiä organismeja ei tunneta. Ero kemiallisen evoluution kokeellisiin tuloksiin ja teoreettisiinkin malleihin nähden on päätä huimaava.

 

Kun arkkibakteerit löydettiin, esitettiin spekulaatioita, että nämä mikro-organismit voisivat olla hyviä malleja ensimmäisille, esibioottisen kemian tuottamille, solun kaltaisille eläville systeemeille. Näiden organismien yksityiskohtainen tutkiminen paljasti kiehtovia ja paljolti vielä huonosti tunnettuja aineenvaihduntasysteemejä, jotka ovat kaikkea muuta kuin “primitiivisiä”. Arkkibakteerit ovat enemmänkin todellisia “aineenvaihduntataiteilijoita”. Miller reagoi spekulaatioihin, joiden mukaan hypertermofiilit arkkibakteerit voisivat olla malleja yksinkertaisista elämän muodoista, seuraavasti: “Hypertermofiilejä voidaan pitää myöhempien elämän muotojen edeltäjinä, mutta niitä voi tuskin sanoa primitiivisiksi. Ne ovat yhtä monimutkaisia kuin me.”

 

Johtopäätöksiä

 

Länsimaisen tieteen “virallinen näkemys” on edelleen, että elämä syntyy, jos olosuhteet ovat sopivat. Koska tällaisesta ei ole mitään todistetta, on asia jäänyt tarinoiden kertomisen tasolle. National Geography -lehden asiaa äskettäin käsitellyt artikkeli esittääkin kysymyksen: “syntyikö elämä alkuliemessä, jäässä vai kiehuvassa vedessä?” Emme tiedä. Pystyykö luonnontiede tätä ikinä selvittämään? Emme tiedä sitäkään. Moni tutkija pitää elämän syntyä ja siihen oleellisesti liittyvää geneettisen informaation alkuperää kiistattomana todisteena Luojasta. Itse olen eräs heistä.

 

Evoluutio ja maailmankatsomus -seminaari. Helsinki 29.5.1999.

 

-                Matti Leisola: Elämän synnyn ongelma (4/99)